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1、第4章砂樁、土樁、灰土樁4.1砂樁4.1.1概述
采用砂樁處理軟弱地基,19世紀(jì)30年代起源于歐洲。由于長期缺少實(shí)用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法、先進(jìn)的施工工藝和施工設(shè)備,砂樁的應(yīng)用和發(fā)展受到很大影響。第二次世界大戰(zhàn)以后,蘇聯(lián)對砂樁的研究取得了較大進(jìn)展。最初,砂樁是用于處理松散砂土地基的。如今,在軟弱粘性土中也有使用實(shí)踐。砂樁技術(shù)自20世紀(jì)50年代引進(jìn)我國以后,在工業(yè)、交通、水利等建設(shè)工程中都得到了應(yīng)用。近十年來,在應(yīng)用砂樁處理可液化的松散砂土地基方面也取得一些成就,解決了一些實(shí)際工程問題。砂樁法處理軟土地基與排水砂井法有類似之處,但排水砂井法的主要作用在
2、于加速固結(jié),砂樁法的主要作用在于置換。因此砂樁較之于砂井有直徑大、排列密、灌砂密度大的特點(diǎn)。所以其用砂量大得多。4.1.2作用原理砂樁法原用于處理松散砂土地基,因施工方法不同可分為擠密砂樁和振密砂樁兩種,主要是為了防止地基中砂土液化。應(yīng)用于軟土地基處理,其作用原理是砂樁的置換作用、壓密樁間土作用及加速排水固結(jié)作用。1、砂樁在松散砂土中的作用
由于下沉樁管的方法和成樁方法不同,砂樁在施工過程中對周圍砂層會產(chǎn)生擠密作用,或同時也產(chǎn)生振密作用。(1)擠密作用采用沖擊法或振動法往砂層中下沉樁管并采用一次拔管法成樁時,樁管對周圍砂層會產(chǎn)生很大的橫向擠壓力
3、,砂層中體積與樁管體積相等的砂就擠向樁管周圍的砂層,從而使其密度增大,孔隙比減小。這個作用稱為“擠密作用”。擠密砂樁的有效擠密影響范圍可達(dá)3~4倍樁管直徑。成樁后地面一般有不同程度的隆起。(2)振密作用采用振動法往砂層中下沉樁管并采用逐步拔管法成樁時,下沉樁管過程會對周圍砂層起擠密作用,而逐步拔管成樁過程則對周圍砂層起振密作用。有效振密范圍可達(dá)6倍樁管直徑左右。成樁后地面一般有不同程度的下降。2、砂樁在軟弱粘性土中的作用
在透水性差的飽和粘性土中下沉樁管時,由于產(chǎn)生的超孔隙水壓力不能很快消散,所以橫向擠壓力雖然很大也不能使樁管周圍的土體發(fā)生瞬
4、時擠密,反而會使其天然結(jié)構(gòu)破壞,強(qiáng)度降低。砂樁施工后需經(jīng)過1~2個月時間,其周圍土體的強(qiáng)度才可能恢復(fù)到或稍大于原有值。因此,使用砂樁處理軟弱粘性土?xí)r主要考慮下述兩個作用。(1)置換作用14砂樁在軟弱粘性土中成樁后,地基就變成由砂樁和樁間土共同組成的復(fù)合地基。由于密實(shí)的砂樁取代了與砂樁體積相等的軟土,所以復(fù)合地基的承載力就比天然地基的承載力大,其沉降也就比天然地基小。地基荷載試驗(yàn)證明,砂樁地基承受外部壓力時會發(fā)生壓力向砂樁集中的現(xiàn)象,這就表明砂樁承受外部壓力的能力要比其周圍土層大。壓力向砂樁集中,樁間土承受的壓力就減小,沉降也就相應(yīng)減小。復(fù)合地
5、基承載力增大率和沉降減小率都與置換率(即1根砂樁面積與1根砂樁承提的地基處理面積之比)有關(guān),置換率增大,承載力增大率也增大,而沉降減小率卻更小。(2)排水作用砂樁在軟弱粘性土地基中構(gòu)成排水路徑,可以起著排水砂井作用,使土層中的水向砂樁集中并且通過砂樁排走,加快地基固結(jié)沉降速率。3、砂樁用途
在松散砂土中,可用于增大相對密度,防止振動液化。在軟弱粘性土中,可用于提高地基承載力,加速固結(jié)沉降,改善地基的整體穩(wěn)定性。4.1.3設(shè)計(jì)計(jì)算砂樁法的設(shè)計(jì)應(yīng)確定置換率、加固范圍、幾何排列、加固后之復(fù)合強(qiáng)度及沉降、施工方式等。1、樁材料和樁尺寸(1)材料使
6、用中粗混合砂,含泥量不大于5%。在對砂樁成型沒有足夠約束力的軟弱粘性土中,可以使用砂和角礫混合料。(2)直徑根據(jù)置換率要求、成樁方法、施工機(jī)械能力等因素綜合考慮確定砂樁直徑。在軟弱粘性土中盡可能采用較大的直徑。目前,國內(nèi)實(shí)際采用的直徑為30cm左右,最大者50~70cm;國外實(shí)際采用的直徑為60~80cm,最大達(dá)200cm。砂樁在平面上的布置可以采用正三角形或正方形。(3)長度根據(jù)軟土層厚度或根據(jù)工程要求通過計(jì)算確定砂樁長度。①當(dāng)軟土層厚度不大時,砂樁長度可按軟土層厚度確定;②當(dāng)軟土層厚度較大時,對按穩(wěn)定性控制的工程來說,砂樁長度應(yīng)不小于最
7、危險滑動面的深度;對按沉降控制的工程來說,砂樁長度應(yīng)滿足砂樁地基沉降量不超過建筑物或構(gòu)筑物容許沉降量的要求,可通過沉降計(jì)算確定;③當(dāng)使用砂樁處理易振動液化的飽和松散砂土?xí)r,砂樁長度應(yīng)達(dá)到可能發(fā)生液化的砂層底部。(3)墊層砂樁施工完畢后,地面應(yīng)鋪設(shè)30~50cm厚度砂墊層或砂和碎石混合料墊層。墊層要分層鋪設(shè),用平板振動器振實(shí)。在地面很軟不能保證施工機(jī)械正常行駛和操作時,可以在砂樁施工前鋪設(shè)墊層。2、成樁方法選擇設(shè)計(jì)時可根據(jù)土的類別選擇適宜的成樁方法。目前國內(nèi)外常用的成樁方法分成二類:(1)振動成樁法用振動打樁機(jī)將樁管沉入土層中,其成樁工藝分成
8、三類:①一次拔管法:往沉入土層中的樁管內(nèi)灌砂,邊振動邊緩慢地從土層中拔出樁管。②14逐步拔管法:往沉入土層中的樁管內(nèi)灌砂后,在振動條件下逐步拔起樁管,